李自力 刘建国 杨超

中国石油大学（华东）；山东省油气储运安全省级重点实验室；青岛市环海油气储运技术重点实验室

 

我国在十一五、十二五和十三五规划中提出了高压直流输电（HVDC）建设计划，输电等级从500kV提高到1000kV，并计划于2020年形成以华北、华东、华中为核心的特高压电网[1]。

 

 

图1 我国电力流向图

 

由于高压直流输电系统本身的固有特性，在运行过程中不可避免地会对周围环境尤其是金属设施产生直流杂散电流干扰。P.Nicholson[2]通过实际测试发现，当故障电流流入到埋地管道，在流出管道之前会沿着管道流动很长一段距离，在管道中持续存在几分钟甚至几天的时间，在管道流出的位置会造成严重的腐蚀。相关研究[3,4]也表明，高压直流输电干扰具有影响范围广、干扰程度大、缓解困难等特点。本文对高压直流输电系统、干扰机理和特点及应对策略进行了阐述。

1 高压直流输电系统简介 

高压直流输电是指±10kV及以上电压等级的直流输电及相关技术，分为高压（HV，10kV-220kV）、超高压（EHV，330kV-750kV）和特高压（UHV，800kV及以上）三个等级。如图2所示，直流高压输电系统由送端交流系统、整流站、直流输电线路、逆变站、受端交流系统五部分组成，其中最重要的部分是换流站，而组成换流站的主要部分是接地极。远距离高压直流输电采用大地回路，可以提高运行可靠性，节省电能在线路上的损耗以及使工程可以分期建设，具有明显的经济效益。

 

 

图2 直流输电系统的基本结构图

 

如图3所示，接地极由电极（馈电棒）、导流系统、辅助设施等构成，型式主要有水平单环型、水平双环型、垂直型和深井型。接地极虽然在工程中有明显的优势，但也存在地面跨步电压过大、本体腐蚀、对电力系统交流变压器偏磁影响和对地下金属管道腐蚀影响等问题。

 

 

图3 接地极资料图

 

相对交流输电来说，直流输电具有输送灵活、损耗小、能够节约输电走廊和实现快速控制等优点，但也存在造价高、消耗无功功率多、谐波危害、电磁干扰和电化学腐蚀等方面的不足。 

2 高压直流输电接地极干扰机理及危害

直流输电系统一般采用两端直流输电系统，主要包括单极系统（正极或负极）、双极系统（正负两级）、背靠背直流系统（无直流输电线路）三种类型。如图4所示，当直流接地系统正常运行时为双极运行模式，此时由两接地极和输电线构成回路，流经大地的电流仅为运行电流的1%~3%（对称运行系统）或两极电流之差（非对称运行系统）；当直流接地极系统在运行初期或发生故障和检修时为单极运行模式，此时大地作为一根导线加入到输电系统中，电流从受端接地极流经大地返回到送端接地极，入地电流为系统额定直流电流，数值会达到几千安培，瞬间大电流会击穿埋地管道防腐层造成管道穿孔，并且会烧毁附近的阴保设备，对操作人员造成人身伤害[5,6]。

 

 

图4 大地中两接地极之间的电流

 

（1）造成管道腐蚀或发生防腐层剥离

如图5所示，当管道附近的接地极为阳极放电时，电流将在管道靠近接地极端由防腐层破损处流入管道，再由远端流出管道，远端流出点作为腐蚀原电池的阳极发生腐蚀；当管道附近的接地极为阴极放电时，电流将在管道远离接地极端由防腐层破损点流入管道，再由近端流出管道，导致近端流出点腐蚀[7]。

 

 

图5 直流接地极干扰示意图 

 

因此，管道在电流流出的地方发生腐蚀，根据法拉第定律，1A的阳极电流将导致9.1kg/a的金属损失，换句话说，若阳极电流密度为1A/m2时，裸钢管的平均减薄量为1.17mm/a，对于直流杂散电流来说，管道传递的杂散电流数量大，而电流排出点集中在界面电阻小、易放电的局部位置，导致破坏性极强，在短时间内即可导致管线发生腐蚀穿孔；而在电流流入的地方会导致管地电位负向偏移，若负向偏移程度超出管道防腐层析氢电位，会使得管道产生过保护发生析氢反应，导致防腐层阴极剥离。

在理想情况下，即在接地极形状规则、土壤均匀等条件下，如图6（a）所示，土壤中的等电位线是以接地极为中心的同心圆，由于管道上电位分布不同，电流在土壤高电位点流入管道，在远处低电位点流出；而在实际情况下，如图6（b）所示，管道布局、接地极形状及埋设方式、环境变化等参数的复杂性，使得土壤中地电场分布情况难以求解，因此确定实际情况下管道上电流的流入流出点、计算管中电流以及测定电流密度等都十分困难。

 

 

图6 接地极周围电场分布

 

（2）金属管道及相关设备烧蚀

瞬间大电流阻性耦合会造成金属管道设施放电、烧蚀，气液联动执行机构误操作，阴极保护电源设备、电位传送器及等电位连接器烧毁，甚至出现金属管件放电、燃烧、爆炸等严重事故。

如图7所示，2013年8月16日，大塘接地极入地电流达1200A，发现位于接地极外环连接锌带与管道的二极管烧毁；在其他运行时间里鱼龙岭接地极和大塘接地极的故障放电烧毁了大量站场相关设备。

 

 

（3）威胁人身安全

当直流输电系统单极运行时，接地极极址附近的跨步电压会带来人身安全问题，而附近金属设施的接触电势也会对操作人员的人身安全带来威胁。

3 高压直流输电接地极干扰防护措施 

（1）完善高压直流干扰判断标准

目前，对埋地管道遭受接地极干扰规律的认识尚不完善，尤其对于具有防腐绝缘层的管道，管道电位分布、电流分布等与接地极位置、土壤电阻率、土壤成分等相关关系，还没有建立完善的理论体系及求解方法，影响到管道的设计及运行管理。电力系统领域相关接地极的研究中，大量工作都是关于接地极对动力系统自身设施的电、磁干扰问题的研究，并形成了相关的规范，但从管道保护的角度出发，电力系统的规定我们能否接受，或者说在满足电力规范要求的前提下，接地极对管道的干扰和危害有多大都不得而知。

相关标准[8,9]明确指出，当接地极与地下金属管道的最小距离（d）小于10km，或者地下金属管道的长度（L）大于d，应计算接地极对管道的不良影响；当管地电位偏移不小于100mV或地电位梯度不小于2.5mV/m时，应及时采取干扰防护措施。通过金丝接地极对附近管道的数值模拟发现，当d=10km时，管地电位最大正向偏移可达6.6V；当d=30km时，管地电位最大正向偏移为1.6V；当d=60km时，管地电位最大正向偏移依然达到800mV；当d=100km时，金丝接地极基本无影响。事实上，对于长输管道来说，L/d>1，均应考虑高压直流接地极对附近管道的影响。因此，有必要进一步开展管道受高压直流接地极干扰规律的研究，在设计、运行阶段准确描述管道受干扰的状态及演化规律，从而建立可行的高压直流接地极对埋地管道干扰的判断标准。

（2）提高防腐绝缘层质量及完好率

根据模拟计算及实际检测，要从根本上降低外界杂散电流对埋地管道的干扰影响，应提高“严重干扰区” 段管道防腐层质量及完好率，对管道使用加强级防腐层，同时通过加强施工管理，确保防腐层地面漏点检测真实有效，发现漏点及时修复，最终保证防腐层达到最佳绝缘性，杜绝或减少电流流入管道。

（3）对管道采取分段绝缘隔离措施

为大幅缩短直流干扰的影响范围，减小累计流入电流量及电位波动幅度，可采取绝缘接头分段电隔离，将管道沿线电位变化控制在可接受范围内。

如图8所示，本文对金丝接地极的干扰情况进行了数值模拟，并探究了管道分段隔离措施的有效性，从图中可以看出，管道进行分段隔离后，金丝接地极的阳极接地时管地电位的最大正向偏移由1612.7mV降为954mV，阴极接地时管地电位的最大正向偏移由1253.14mV降为708mV，管地电位最大偏移值有了明显减小，但在分段隔离处的两端电位差有了明显升高，因此在分段隔离处应采用绝缘法兰跨接的方法减小两端电位差值，保护分段隔离装置。

 

 

图8 管道分段隔离模拟实例

 

根据相关的室内研究成果，本文提出了分段隔离+阴极保护+排流三种措施相结合的方法来实现高压直流输电干扰保护：

①对直流干扰严重段实行分段隔离，将干扰区域限定在一定范围内；

② 增加阴极保护系统对隔离管段进行单独保护；

③在隔离管段安装直流排流保护设施，为防止阴保电流的流出，在排流线上安装单向导通装置。

（4）构建智能排流及阴保系统

根据对金丝接地极干扰范围的数值模拟结果发现，当管道与接地极的距离为100km时，管道基本不受接地极的影响，因此建议对距离接地极100km范围内的管道进行计算分析，确定接地极阳极、阴极接地方式下管道的电流分布状态，设计最佳排流点（排流区域），实施排流，并且应重点对接地极周围60km范围内的管道进行防范；研发智能化排流系统和阴极保护系统，实现对杂散电流的智能检测、排出及阴保电流的有效保护。

（5）建立管道企业与电力企业信息沟通机制

近年来，国内发生的几起埋地管道遭受高压直流输电接地极干扰的事件，都是在直流输电运行改为单级运行模式，且管道公司未事先得到电力公司通知的情况下发生了管道恒电位仪出现超限、停机，导致阴极保护失效等问题。因此，建议建立管道、电力企业间的信息互通机制，实现管道和电力企业间的业务联动，从而有效减小或避免高压直流输电对埋地管道、站场设备和人身造成的危害。

参考文献：

[1] 李丹丹.高压直流输电线路对某埋地金属管道的干扰规律研究[D].四川成都：西南石油大学， 2014:3.[2] P. Nicholson. High voltage direct current interference with underground or underwater pipelines [A].Proceeding of Corrosion 2010 [C]. San Antonio: NACE International, 2010: 10102.

[3] 刘连光，崔明德，孙中明等.±800kV直流接地极对交流电网的影响范围[J].高电压技术， 2009,35（6）： 1243-1247.

[4] 董晓辉，杨威，唐程等.特高压直流入地电流对附近杆塔地网腐蚀评估[J].高电压技术， 2009,35（7）：1546-1552.

[5] Liu J, Dawalibi F P, Ma J, et al. HVDC advanced analysis methods for grounding design and DC interference mitigation techniques[C]. International Symposium on Electromagnetic Compatibility. 2002:202-206.

[6] 房媛媛, 卢剑. 直流接地极的地电流对埋地金属管道腐蚀影响分析[J]. 南方电网 技术, 2013, 7（6）：71-75.

[7] Yu Gong, Chunlin Xue, Zhilei Yuan, et.al.Advanced analysis of HVDC electrodes interference on neighboring pipelines [J]. Journal of Power and Energy Engineering, 2015,3:332-341.

[8] GB 50991-2014，埋地钢质管道直流干扰防护技术标准[S].

[9] DL/T 5224-2005，高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定[S].

作者：李自力，男，博士，教授，主要从事油气储运系统安全工程的研究。

《管道保护》2016年第5期（总第30期）